对辊柱塞式成型机仿真分析

宁廷州，侯书林

(1.中国农业大学 工学院，北京 100083；2.山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034；3.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)



对辊柱塞式成型机仿真分析

宁廷州1,2，侯书林1,3

(1.中国农业大学 工学院，北京 100083；2.山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034；3.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

为缩短产品设计周期，降低由于设计不合理导致的成本增加问题，基于SolidWorks内置插件 Motion对对辊柱塞式成型机关键零部件相对运动轨迹进行了仿真分析。结果表明：柱塞关键点相对于模孔运动轨迹轨迹为余摆线，模孔关键点相对于柱塞运动轨迹轨迹为心型线，压辊柱塞与环模模孔不发生干涉，验证了结构设计的合理性。为避免关键零部件发生干涉，探索了不干涉条件下的较优环模模孔开口锥度，结果表明：环模模孔开口锥度为60°时为宜。

生物质；对辊式成型机；运动轨迹；仿真分析

0 引言

随着社会的进步和发展，能源问题日益突出，寻找一种可再生的能源迫在眉睫[1-3]。生物质能源分布广泛，具有可再生性和低污染性等优点[4-5]。生物质压缩成型技术能够将粉碎后的农作物秸秆压缩成具有一定密度的块状、颗粒状燃料，经生物质成型机加工出来的燃料具有燃烧效率高、热值及环保清洁等优点，被广泛应用于取暖炉、热水锅炉及发电厂等[6-7]。

目前，主要有3种形式的生物质成型机：螺旋挤压式、活塞冲压式和模辊式。由于模辊式成型机具有原料适应性强、产量高等优点，成为当今研究和开发的热点[8-9]。根据模辊布置形式，模辊式成型机又可分为环模成型机、平模成型机和对辊式成型机[10]。对辊柱塞式成型机利用压辊上均匀分布的一系列柱塞与环模模孔相啮合，避免了普通对辊式成型机利用成型模具外曲面对物料进行挤压而导致的能耗损失问题[11]。

随着时代的发展，SolidWorks软件功能越来越强大，不仅可以实现三维造型、装配及干涉检查等，还可以实现机构的仿真及关键零部件的有限元分析，避免了其他专业仿真软件由于自身建模能力不强而需要进行外部导入的问题。为提高设计水平、减小研发周期和降低生产成本[12]，本研究基于SolidWorks内置插件 Motion对对辊柱塞式成型机成型机关键零部件相对运动轨迹进行了仿真分析，探索该成型机构设计的合理性，同时探索了关键零部件不干涉条件下的较优环模模孔开口锥度，为同类产品的设计与开发提供借鉴和参考。

1 传动方案、结构与工作原理

如图1～图3所示：电动机输出的动力经减速器减速以后，通过联轴器、大齿轮传递给传递给环模，同时大齿轮与小齿轮进行啮合传动，将动力传递给压辊；由于大小齿轮的齿数比值Z2：Z1等于压辊柱塞个数与环模模孔个数的比值，也等于压辊啮合圆直径与环模啮合圆直径的比值，因此可以保证压辊上的柱塞与环模模孔正确啮合。生物质物料经进料斗进入环模和压辊中间，压辊和环模以一定的速比进行转动，从而对处于环模和压辊之间的物料进行对辊挤压；压辊上的柱塞逐渐啮合压入相对应的环模成型孔，之后又逐渐分离，每转1圈，环模上的模孔中的物料都要经过填充、柱塞挤压和保型3个过程；按此不断循环，松散的生物质物料最终在环模模孔中一层一层致密成型为具有一定密度和长度的颗粒。

2 理论分析

压辊柱塞和环模上的关键点如图4所示。设倒角深度为a，成型孔半径为r1，柱塞半径为r2，啮合时，柱塞底部模孔底端距离为b，柱塞高度为h。

以环模旋转中心为原点，建立XOY平面直角坐标系，如图5所示。

1.小齿轮 2.大齿轮 3.成型辊 4.电动机 5.变频器 6.减速器 7.联轴器 8.柱塞式压辊

1.进料装置 2.环模装置 3.出料口 4.压辊装置

1.环模 2.环模轴 3.压辊轴 4.柱塞式压辊

图4 关键点

图5 坐标系

压辊柱塞上参考点A(xA，yA)的运动轨迹方程为

xA=-r2-(R1-a+b)sinω2t

(1)

yA=(R1-a+b+h+R2)-

(R2+h)cosω2t

(2)

环模上参考点B(xB，yB)运动轨迹方程为

xB=-r1-(R1-a)sinω1t

(3)

yB=(R1-a)-(1-cosω1t)

(4)

欲证明压辊柱塞与环模模孔不发生干涉，需联立式(1)～式(4)，令xA=xB，yA=yB，并证明其无解。由此可以看出：解析方法不仅计算繁琐，也不直观，如果使用仿真手段，则可以大大减轻工作量，也可以使分析结果更加直观[13]。

3 仿真分析

3.1 仿真过程与参数设置

1)通过SolidWorks建立对辊柱塞式成型机构三维实体模型，如图5所示。

2)在装配体界面，将‘SolidWorks Motion’插件载入，单击布局选项卡中的‘运动算例’，在Motion Mananger工具栏中的‘算例类型’下拉列表中选择‘Motion 分析’。

3)单击Motion Mananger工具栏中的‘马达’按钮，弹出马达属性管理器，分别为压辊轴孔施加转速为20r/min的逆时针旋转马达，为环模轴孔施加转速为10r/min的顺时针旋转马达，使二者能够按照实际情况运行。

4)以上设置完成后，单击‘计算’按钮即可进行仿真求解。

3.2 运动轨迹分析

为便于分析，选取压辊柱塞和模孔上的几个关键点进行分析，仿真结果如图6所示。

3.2.1 柱塞相对于模孔的运动轨迹

由图6(a)～图6(c)可知：柱塞上的两个关键点相对于模孔的运动轨迹轨迹均为余摆线，且运动轨迹都在模孔内侧，不存在交叉重叠的地方，故柱塞与模孔不发生干涉。

图6 仿真结果

3.2.2 模孔相对于柱塞的运动轨迹

由图6(d)～和图6(f)可知：模孔上的两个关键点相对于柱塞的运动轨迹轨迹均为心型线，且运动轨迹都在柱塞外侧，不存在交叉重叠的地方，故模孔与柱塞也不发生干涉。

3.3 环模模孔开口锥度

图7为不同环模模孔开口锥度θ下的仿真结果。

图7 不同环模模孔开口锥度下的仿真结果

由图7可知：当环模模孔开口锥度小于30°时，压辊柱塞两关键点的运动轨迹均与环模模孔发生干涉，因此对辊柱塞式成型机必须保证环模模孔开口锥度大于等于30°。为使得较多的物料能够进入环模模孔参与压缩成型，且考虑到物料进入环模模孔后的溢出性和包含性，取环模模孔开口锥度60°为宜。

4 结论

1)对辊柱塞式成型机压辊柱塞关键点相对于环模模孔的运动轨迹轨迹为余摆线，环模模孔关键点相对于压辊柱塞运动轨迹轨迹均为心型线，关键零部件运行过程中不发生干涉，验证了结构设计的合理性。

2)为避免对辊柱塞式成型机关键零部件不发生干涉，且考虑到物料进入环模模孔后的溢出性和包含性，环模模孔开口锥度取60°为宜。

[1] 李虹,董亮,段红霞.中国可再生能源发展综合评价与结构优化研究[J].资源科学,2011,33(3):431- 440.

[2] 柳恒饶,刘光斌,李林检,等.响应面法分析优化晚松生物质成型燃料制备工艺[J].林业工程学报,2016,1(1):93-99.

[3] 林兴生,林占嬉,林冬梅,等.菌草作为生物质燃料的初步研究[J].福建林学院学报,2013,33(1):82 -86.

[4] 陆长青,王世芬,刘光华.改进型生物质上吸式固定床气化炉的应用与效益分析[J].江西科学,2014, 32(2):212-227.

[5] 李震,吴家雄.基于平模温度场的疲劳寿命分析[J].林业工程学报,2016,1(2):96-100.

[6] 姚宗路,赵立欣,Ronnback M,等.生物质颗粒燃料特性及其对燃烧的影响分析[J].农业机械学报,2010,41(10):97-102.

[7] 赵立欣,田宜水.农村绿色能源技术[M]北京:中国农业科技出版社,2007.

[8] 霍丽丽,田宜水,孟海波,等.模辊式生物质颗粒燃料成型机性能试验[J].农业机械学报,2010, 41(12):121-125.

[9] 霍丽丽,侯书林,赵立欣,等.生物质固体成型燃料技术及设备研究进展[J].安全与环境学报, 2009,9(6):27-31.

[10] 袁大龙.生物质常温柱塞式环模颗粒成型机研究及设计[D].北京:北京林业大学,2014.

[11] 袁大龙,俞国胜.基于Pro/Mechanica 的新型生物质颗粒成型机箱体结构分析及优化[J].林业与木工机械,2013,41(10):21-25.

[12] 王红军,李馨富,黄国钢,等.香蕉采摘机械手抓取机构设计及仿真[J].湘潭大学自然科学学报,2012,34(3):114-117.

[13] 俞洋,俞国胜,德雪红,等.基于ADAMS的柱塞式环模成型装置的轨迹仿真研究[J].北京林业大学学报,2014,36(3):1-5.Abstract ID:1003-188X(2017)08-0058-EA

Simulation on Forming Mechanism of Roller Briquetting Machine with Plungers

Ning Tingzhou1,2, Hou Shulin1,3

(1.College of Engineering, China Agriculture University, Beijing 100083, China; 2.School of Mechanical Engineering, Shandong Huayu University of Technology, Dezhou 253034, China;3.College of Mechanical and Electronic Engineering, Tarim University, Alar 843300, China)

To shorten the product design cycle, and reduce the cost increasing problem caused by the unreasonable design, the forming mechanism of roller briquetting machine with plungers was built and simulated by SolidWorks Motion. The simulation results showed that, the trajectory is trochoid for the key points of plunger relative to the holes of ring die, and the trajectory is heart-shaped line for the holes of ring die relative to the key points of plunger.There’s no interference between the plungers of roller and the holes of ring die, which verifies the rationality of structure design. At the same time, in order to avoid the interference of the key components,the better opening taper of ring die holes was explored under the condition of uninterfere,the results showed that 60° is advisable for the opening taper of ring die holes.

biomass; roller briquetting machine; trajectory; simulation

2016-09-01

公益性行业(农业)科研专项(201503135-19)

宁廷州(1988-)，男，山东泰安人，博士，(E-mail)ning-tingzhou@163.com。

侯书林(1959-)，男，辽宁大连人，教授，博士生导师，(E-mail)slhou@cau.edu.cn。

S216.2；TK6

A

1003-188X(2017)08-0058-04